Průmyslov. myslové aplikace laserů. anská. Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/07.0018.



Podobné dokumenty
Automatizace výrobních procesů ve strojírenství a řemesel, CZ.1.07/1.1.30/ , Přednáška - KA 5

CZ.1.07/1.1.30/

Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.2. Základní konstrukční součásti laserů. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

Průmyslové lasery pro svařování

Lasery. Biofyzikální ústav LF MU. Projekt FRVŠ 911/2013

Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.4. Pevnolátkové lasery. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

Zdroje optického záření

Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.8. Laserové zpracování materiálu. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

Laserové technologie v praxi

Úvod. Povrchové vlastnosti jako jsou koroze, oxidace, tření, únava, abraze jsou často vylepšovány různými technologiemi povrchového inženýrství.

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

Lasery optické rezonátory

Plynové lasery pro průmyslové využití

Laserové technologie

Využití výkonových laserů ve strojírenské praxi svařování, dělení a další technologie

MODERNÍ METODY CHEMICKÉ FYZIKY I lasery a jejich použití v chemické fyzice Přednáška 5

Optoelektronika. elektro-optické převodníky - LED, laserové diody, LCD. Elektronické součástky pro FAV (KET/ESCA)

Dělení a svařování svazkem plazmatu

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: Lasery - druhy

1 Svařování Laser-Hybridem

Vybrané spektroskopické metody

Měření charakteristik pevnolátkového infračerveného Er:Yag laseru

Něco o laserech. Ústav fyzikální elektroniky Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity 13. května 2010

Bezpečnost práce s lasery

LASEROVÉ PRŮMYSLOVÉ SYSTÉMY

Lasery kolem násn. Společná laboratoř optiky Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu Akademie věd České republiky

Stručný úvod do spektroskopie

Svařování LASEREM. doc. Ing. Jaromír Moravec, Ph.D

Laserové technologie v praxi

PSK1-14. Optické zdroje a detektory. Bohrův model atomu. Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola, Božetěchova 3 Ing. Marek Nožka.

VLIV PARAMETRŮ LASEROVÉHO POVRCHOVÉHO ZPRACOVÁNÍ NA MIKROSTRUKTURU OCELÍ

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Kalení Pomocí laserového paprsku je možné rychle a kvalitně tepelně zušlechtit povrch materiálu až do hloubek v jednotkách milimetrů.

ZÁKLADNÍ ČÁSTI SPEKTRÁLNÍCH PŘÍSTROJŮ

Charakteristiky laseru vytvářejícího světelné impulsy o délce několika pikosekund

Lasery v mikroelektrotechnice. Soviš Jan Aplikovaná fyzika

Přednášky z lékařské přístrojové techniky

Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT. Obrábění. Název: Téma: Fyzikální metody obrábění 1. Ing. Kubíček Miroslav. Autor:

1. Zdroje a detektory optického záření

Světlo jako elektromagnetické záření

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.1. Fyzikální princip činnosti laserů. Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011

- Rayleighův rozptyl turbidimetrie, nefelometrie - Ramanův rozptyl. - fluorescence - fosforescence

Co je litografie? - technologický proces sloužící pro vytváření jemných struktur (obzvláště mikrostruktur a nanostruktur)

Tajemství ELI - nejintenzivnějšího laseru světa

LASER MATERIAL PROCESSING HARDENING AND WELDING. Stanislav Němeček Tomáš Mužík

Ing. Pavel Hrzina, Ph.D. - Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů Katedra elektrotechnologie K13113

1 Nekonvenční metody svařování - laser. 2 Svařování laserem (51)

L A S E R. Krize klasické fyziky na přelomu 19. a 20. století, vznik kvantových představ o interakci optického záření s látkami.

λ hc Optoelektronické součástky Fotorezistor, Laserová dioda

Fotoelektronová spektroskopie Instrumentace. Katedra materiálů TU Liberec

Cvičení z fyziky Lasery. Jan Horáček (jan.horacek@seznam.cz) 19. ledna 2014

Svařování svazkem elektronů

SPEKTROMETRIE. aneb co jsem se dozvěděla. autor: Zdeňka Baxová

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Použití přesně dělený polotovar je nutností pro další potřebné výrobní operace

Netradiční světelné zdroje

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

2 Nd:YAG laser buzený laserovou diodou

SPECIÁLNÍ METODY OBRÁBĚNÍ SPECIÁLNÍ METODY OBRÁBĚNÍ

VYSOKOVÝKONOVÉ LASEROVÉ ROBOTIZOVANÉ PRACOVIŠTĚ

LASEROVÉ MIKROOBRÁBĚNÍ

Bezpečnostní inženýrství. - Detektory požárů a senzory plynů -

Západočeská univerzita v Plzni fakulta Strojní

Technologie I. Část svařování. Kontakt : michal.vslib@seznam.cz Kancelář : budova E, 2. patro, laboratoře

Laserové technologie v praxi II. Cvičeníč.1

Obchodní akademie, Vyšší odborná škola a Jazyková škola s právem státní jazykové zkoušky Uherské Hradiště

Speciální metody obrábění

Základy spektroskopie a její využití v astronomii

Laserové a plazmové řezání (84, 83)

Úloha 15: Studium polovodičového GaAs/GaAlAs laseru

Glass temperature history

Vybrané technologie povrchových úprav. Metody vytváření tenkých vrstev Doc. Ing. Karel Daďourek 2008

Spektrometrické metody. Reflexní a fotoakustická spektroskopie

ELEKTRONICKÉ PRVKY TECHNOLOGIE VÝROBY POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ

Mgr. Ladislav Blahuta

ABSORPČNÍ A EMISNÍ SPEKTRÁLNÍ METODY

1.3. Módy laseru, divergence svazku, fokuzace svazku, Q- spínání

1. Pevnolátkový Nd:YAG laser v režimu volné generace a v režimu Q-spínání. 2. Zesilování laserového záření a generace druhé harmonické

Plazmové svařování a dělení materiálu. Jaromír Moravec

λ, (20.1) infračervené záření ultrafialové γ a kosmické mikrovlny

Molekulová spektroskopie 1. Chemická vazba, UV/VIS

KRITÉRIA VOLBY METODY A TRENDY TEPELNÉHO DĚLENÍ MATERIÁLŮ Ing. Martin Roubíček, Ph.D. - Air Liquide

Svafiování elektronov m paprskem

Základy fyziky laserového plazmatu. Lekce 1 -lasery

Světlo je elektromagnetické vlnění, které má ve vakuu vlnové délky od 390 nm do 770 nm.

FOTOAKUSTIKA. Vítězslav Otruba

Elektronová mikroskopie SEM, TEM, AFM

Úloha č. 1: CD spektroskopie

Optiky do laserů CO2

Jiří Oswald. Fyzikální ústav AV ČR v.v.i.

DOUTNAVÝ VÝBOJ. Další technologie využívající doutnavý výboj

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

13. Spektroskopie základní pojmy

STUDIUM OHYBOVÝCH JEVŮ LASEROVÉHO ZÁŘENÍ

Historie vláknové optiky

2. Zdroje a detektory světla

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Energie elektronů v atomech nabývá diskrétních hodnot energetické hladiny.

VEDENÍ ELEKTRICKÉHO PROUDU V LÁTKÁCH

Bezpečnost práce s laserovými zařízeními

Transkript:

Moderní technologie ve studiu aplikované fyziky reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/07.0018. Průmyslov myslové aplikace laserů Hana Lapšansk anská Společná laboratoř optiky Univerzity Palackého a Fyzikáln lního ústavu Akademie věd v České republiky 17. listopadu 50a, 772 07 Olomouc, hana.lapsanska lapsanska@upol.cz

Obsah 1. Laser a jeho fyzikální podstata 2. Vlastnosti laserového záření, kvalita svazku 3. Konstrukce laseru - základní součásti laserových systémů 4. Klasifikace laserů 5. Průmyslové využití laserů Laserové vrtání Laserové řezání Laserové svařování Laserové zpracování povrchů 6. Významné parametry 7. Typy laserů používaných v průmyslu 8. Trendy v oblasti laserových systémů 9. Přednosti a nedostatky použití laserů v průmyslu 10.Bezpečnost práce s lasery 11.Výhled 2

1. Laser a jeho fyzikální podstata LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiaton k zesílení světla dochází opakovanými průchody fotonů médiem se specifickými vlastnostmi první funkční laser 1960 T. H. Maiman rubínový laser (Al 2 O 3 dopovaný ionty Cr) 694,3 nm (velmi nedokonalý, účinnost < 1%, jen tři energetické hladiny - pouze pulsní režim) první kontinuální laser N. G. Basov, A. M. Prochorov a Ch. H. Townes použití více energetických hladin (umožněno ustavení populační inverze) - souvislá činnost laseru 1964 Nobelova cena brzy další typy laserů (různá vlnová délka, délka generovaných pulsů, konstrukce, výkon, účinnost) rozšíření oblasti využití (neexistuje univerzální laser vhodný pro všechny aplikace) současnost - lasery pokrývají velkou část spektra (IČ VIS - UV RTG, stovky µm jednotky nm) široký okruh možného využití 3

Laser a jeho fyzikální podstata 3 základní typy interakcí fotonů s atomy (záření s hmotou) 2 absorpce spontánní emise stimulovaná emise 1 Stimulovaná emise předpověděl A. Einstein v r. 1917, poprvé pozorovali R. Ladenburg a H. Kopfermann v r. 1928 na atom, který se nachází na hladině 2, dopadá záření (foton, elektromagnetická vlna) s frekvencí stejnou jakou by mělo spontánně emitované záření dopadající záření donutí atom přejít do stavu 1 za současné emise záření s energií odpovídající rozdílu energetických hladin 2 a 1 (úměrné frekvenci) dopadající a emitované záření mají stejný směr, jsou ve fázi, skládají se, a tím dochází k zesílení původního záření to může stimulovat další atomy k sestupu na nižší energetické hladiny řetězová reakce laserování nutným předpokladem stimulované emise je přítomnost inverzní populace, tedy přebytku částic ve vyšším energetickém stavu vůči počtu částic ve stavu nižším lze toho dosáhnout jen v některých médiích (aktivní prostředí) pomocí dodávání energie 4

2. Vlastnosti laserového záření, kvalita svazku monochromatičnost stimulovaně emitované fotony mají všechny stejnou vlnovou délku jednobarevné světlo vysoká prostorová koherence i časová stimulovaně emitované fotony jsou ve fázi nízká divergence svazku možnost fokusace na malý průměr svazku - kvalita laserového svazku Beam Parameter Product BPP faktor kvality svazku M 2 vyšší kvality svazku dosahují lasery s nižší vlnovou délkou BPP = w 0 Θ 2 λ Θ = M π w 0 5

3. Základní součásti laserových systémů aktivní prostředí látka schopná zesilovat jí procházející záření krystal, diodový přechod, plyn, kapalina určuje vlnovou délku záření čerpací (budící) zařízení dodává energii aktivnímu prostředí zajištění inverzní populace elektrický výboj, chemická reakce, optické záření optický rezonátor zrcadla obklopující aktivní prostředí dosažení vyššího počtu stimulovaných přechodů oproti spontánním svazek vystupující z aktivního prostředí se odráží od zrcadla zpět do aktivního prostředí, kde funguje jako podnět k další stimulované emisi zesílení svazku po dosažení požadované intenzity opouští svazek rezonátor jedním ze zrcadel, které je částečně propustné systém vedení svazku + pracovní hlava úprava svazku, přivedení k obrobku fokusace chladící systém řídící počítač motorizované posuvy, roboti 6

Základní součásti laserových systémů délka rezonátoru musí splňovat rezonanční podmínku L=nλ/2 rozhoduje o vlnové délce laseru (může-li laser pracovat na různých vlnových délkách) a modové struktuře svazku 7

4. Klasifikace laserů Podle typu aktivního prostředí: PLYNOVÉ lasery: atomární: He-Ne, He-Cd, Cu, I iontové: Ar, Kr molekulární: CO 2, N 2, H 2 excimerové: XeBr, KrO, ArO PEVNOLÁTKOVÉ lasery: Nd:YAG, Nd:sklo, Er:YAG, Yb:YAG, Ti:safír, rubínový DIODOVÉ (POLOVIDIČOVÉ) lasery: GaAs, GaN, PbSnSe, InAsSb KAPALINOVÉ lasery: na bázi organických barviv: coumarin, fluorecsein, cyanin, rhodamin, oxazine Podle vlnové délky emitovaného záření: INFRAČERVENÉ lasery (780 nm 1 mm) lasery ve VIDITELNÉ oblasti (360 nm 780 nm) ULTRAFIALOVÉ lasery (10 nm 360 nm) RENTGENOVÉ lasery (0,01 nm 10 nm) Podle režimu práce: KONTINUÁLNÍ lasery (nepřetržitá generace záření) PULSNÍ lasery (ns, ps, fs pulsy s vysokou opakovací frekvencí) IMPULSNÍ lasery (vysoce energetické pulsy s nízkou opakovací frekvencí) 8

5. Průmyslové využití laserů interakce záření s technickými materiály - od 2. pol. šedesátých let výkonové systémy (desítky W desítky kw) fokusace svazku na velmi malý průměr - vysoká plošná hustota výkonu dnes nepostradatelný nástroj bez změny skupenství (kalení, zpevňování) X vznik kapalné fáze (tavné řezání, plátování, povlakování, přetavování povrchů, kondukční svařování) X vznik plynné fáze (vrtání, popisování, keyhole svařování, ablace) přednosti použití laseru přesnost, vysoká kvalita provedení opakovatelnost možnost automatizace minimální ovlivnění okolí místa dopadu svazku (obrábění tepelně citlivých součástí) bezkontaktní metoda možnost zpracování materiálů, které jsou běžnými metodami obtížně zpracovatelné vrtání křehkých materiálů (keramika) svařování plastů, materiálů obsahující složky s výrazně rozdílnou teplotou tavení (mosaz), různých druhů materiálů... mikro aplikace úzký svazek elektronické součástky, medicínské komponenty (stenty) 9

Laserové vrtání poprvé v r. 1965 - příprava otvorů v diamantových průvlacích pro tažení drátů (rubínový laser) založeno na odpařování materiálu vyžaduje vysokou hustotu výkonu dopadajícího laserového svazku (10 6 až 10 9 W.cm -2 ) lokálně ohřev materiálu po dopadu svazku - částečné odpaření dutina keyhole - uvnitř mnohonásobné odrazy záření nárůst absorpce - prohloubení otvoru především pulsní lasery v závislosti na výkonu metody vrtání: jednorázové - úplná penetrace po dopadu jediného pulsu - odpaření vrstvy až 6 mm postupné odpařování vrstev - série pulsů na jedno místo trepanační pro otvory větší než je průměr svazku série pulsů podél požadovaného otvoru; dělení netavitelných materiálů (dřevo, uhlík, některé plasty) kovy, plasty, dřevo, sklo, keramika atd. 10

Laserové řezání úzké, přesné a hladké řezy bez okují kolmé hrany i při větších tloušťkách materiálu zpravidla nejsou nutné žádné další úpravy hloubka řezu závisí na výkonu laserového systému a na druhu řezaného materiálu (např. 20 mm ocelový plech - průměrný výkon 5 kw) odpařovací řezání = vrtání (odpaření materiálu v celé hloubce + pohyb pracovní hlavy nebo stolu) tavné řezání po dopadu fokusovaného svazku se materiál zahřeje a nataví - proud plynu (vysoký tlak) odstraní taveninu + ochladí materiál, materiál se nevypařuje stačí desetina výkonu ve srovnání s odpařovacím reaktivní tavné řezání použitý plyn (O 2 ) exotermicky reaguje s materiálem - další zdroj tepla, proto můžeme použít vyšší pracovní rychlost,!oxidy - zkřehnutí 11

Laserové řezání typický profil řezu - striace kontrolovaný lom ohřev tenké povrchové vrstvy (nefokusovaný svazek) - pnutí v okolí je-li přítomen vrub (např. vytvořený fokusovaným svazkem o nízkém výkonu), vzniká trhlina - růst - šíření lom malý výkon, rychlý proces (1 m.s- 1 ), přesný, kvalitní řez pro dělení křehkých materiálů (keramika, sklo), jednoduché tvary laserové orýsování vytvoření zářezů nebo řady otvorů (částečná nebo úplná penetrace) pomocí laserového svazku s nízkou energií a vysokou plošnou hustotou výkonu (odpaření) - zeslabení materiálu - mechanický lom dělení křehkých materiálů, používá se i pro značení studené řezání excimerové lasery narušení molekulárních vazeb kovy, keramika, slinuté karbidy, dřevo, plasty, textilie, kůže, sklo atd. 12

Laserové řezání Vliv pracovní pracovní kvalitu řezu rychlosti na Profil řezu 6 mm.smm.s-1 12 mm.smm.s-1 Vliv tlaku plynu na kvalitu řezu 2 bar 5,5 bar 6 bar 13

Laserové řezání pro řezání především m CO 2 lasery s 400 3000 W (hloubka řezu aža 18 mm u nízkouhln zkouhlíkových kových ocelí,, 12 mm u nerezavějících ch ocelí), Nd:YAG do 5 mm řezání kovů nad 1 kw,, dřevo d nad 200 kw... řezání křemíkových trubic (halogenové lampy) řezání profilů (součásti sti zbraní,, součásti sti lékal kařské techniky, ventily, těsnění,, filtry) řezání látek (koberce, potahy, airbagy,, plachty) letecký průmysl (tvrdé,, křehkk ehké materiály SiN,, Ti slitiny, Al slitiny) řezání optických vláken, kevlaru prototypová výroba (automobily stěra rače, otvory na dveřní zámky, výfuky, součásti sti klimatizace ) řezání Al a polovodičů výroba nábytku, n lodí,, klenotů řezání radioaktivních materiálů elektronika, plošné spoje 14

Laserové řezání Řezání kovů 15

Laserové řezání 3D řezání 16

Laserové řezání Řezání nekovových materiálů 17

Laserové svařování fokusovaný laserový svazek je zdrojem vysoké plošné hustoty výkonu až 4.10 9 W.cm -2 (elektronový svazek asi 10x méně, oblouk 10 5 x méně) na 1 cm délky svaru připadá relativně malá energie 1 kj (elektonový svazek 2 kj, elektrický oblouk 22 kj, acetylen-kyslíkový oblouk 52 kj) díky rychlému ohřevu se nestihnou plně uplatnit mechanismy vedení a sálání tepla - malá tepelně ovlivněná oblast podobný svar jako při svařování elektronovým svazkem, ale není nutné vakuum asi 15 % využití CO 2 a Nd:YAG laserů v průmyslu, rozvoj použití polovodičových laserů přísné požadavky na přípravu svařovaných dílů (vzdálenost svarových ploch musí být konstantní a neměla by překročit čtvrtinu šířky stopy svazku) často nutnost pracovat v ochranné atmosféře inertních plynů svazek obvykle nedopadá kolmo na svařované díly - ochrana před zpětnými odrazy laserového paprsku (mohlo by dojít k interakci dopadajícího a odraženého paprsku), poškození optiky 18

Laserové svařování podle hustoty výkonu svazku kondukční do 10 6 W.cm -2 dopad laserového svazku - lokální ohřev - natavení (aspoň 10 4 W.cm -2 ) - vytvoření svarové lázně malá hloubka svaru (desetiny mm, šířka > hloubka), velmi hladký povrch Výroba miniaturních součástí (elektronika) předehřev! vyšší penetrace keyhole nad 10 6 W.cm -2 dopad laserového svazku - lokální ohřev - odpaření - vytvoření dutiny (stabilizovaná tlakem vzniklých kovových par) - stěny tvořeny taveninou - absorpce laserového záření i na stěnách dutiny velký poměr hloubka:šířka penetrační podobně jako u keyhole svařování dojde k odpaření, ale tlak vzniklých par není dostatečný, aby udržel otevřený plynový kanál - není stabilní průvar až 2,5 mm méně účinný než keyhole, ale často dostatečné 19

Laserové svařování vysoká rychlost procesu (3x rychleji než u plazmového svařování, 20x rychleji než obloukem), menší spotřeba materiálu (6x menší než u plazmového, 10x menší než u svařování obloukem) lze svařovat většinu materiálů, které je možné svařovat klasickými metodami + materiály, které klasicky svařit nelze (kov + plast, kov + keramika) lze svařovat materiály různých tvarů, tlouštěk (folie/drát na masivní podklad), druhů, součástky v opticky transparentním materiálu možnost pracovat i na špatně dostupných místech, snadná automatizace (rychlý start/stop laseru) a kontrola procesu automobilový průmysl (převodové systémy, písty, tlumiče, dveře, podlahové panely, karoserie), letecký průmysl, bimetalické listy pil, žiletky, trubky, vysokotlaková zařízení, laserové navařování oprava nástrojů, elektronika - hermeticky těsná miniaturní pouzdra (relé, tranzistory), svařování kontaktů, plechů, zdravotnická technika (kardiostimulátory) 20

Laserové zpracování povrchů Laserový popis v současnosti nejrozšířenější aplikace 10 100 W podle požadované hloubky odstranění nebo modifikace vrstvy materiálu odolnost, stálost, kontrast, rychlost až 4000 mm.s -1 s rozlišením 0,002 mm. gravírování hloubkové značení kovy i nekovy (značení skel automobilů, popis plastových součástí klávesnic. reklamní předměty...) Plátování, legování, přetavování sycení roztaveného povrchu určitým prvkem nebo nanášení vrstev zpevnění základního materiálu, zvýšení korozní odolnosti, odolnosti proti opotřebení Kalení zachování houževnatého jádra materiálu, zvýšení tvrdosti povrchu desítky mm.s -1 (10 kw CO 2 ) rychlé ochlazení zakalení do hloubky desítek µm (jemný martenzit) směnou struktury můžeme dosáhnout i zvýšení korozní odolnosti 2x větší životnost než při klasickém zakalení pro menší plochy ms puls, desítky J Žíhání snížení počtu defektů v mřížce kovu rekrystalizace 21

6. Významné parametry parametry ovlivňující kvalitu provedeného řezu / svaru / tepelného zpracování... charakteristiky svazku průměr svazku, modová struktura, kvalita svazku (BPP) polarizace vlnová délka pracovní parametry - výkon (vrcholový, průměrný), frekvence, délka pulsu vedení svazku fokusační optika poloha ohniska vůči obrobku pracovní rychlost míra překrytí pulsů vlastnosti použitého ochranného/pracovního plynu složení rychlost proudění tvar a poloha trysky vlastnosti materiálu optické (odrazivost) tepelné (tepelná kapacita, vodivost) 22

7. Typy laserů používaných v průmyslu CO 2 lasery vlnová délka 10,6 µm aktivní prostředí směs plynů CO 2 : N 2 : He (1: 4: 5) nutné nepřetržité doplňování plynů buzení elektrickým výbojem průměrný výkon mw desítky kw (určuje rozměr rezonátoru) účinnost 10 15 % absorpce sklem speciální optické komponenty (Zn-Se, Ge, Ga-Se) nelze vést optickým vláknem především řezání, svařování Nd:YAG lasery vlnová délka 1064 nm aktivní prostředí krystal YAG (yttrium aluminium garnet) dopovaný ionty Nd 3+ buzení kryptonovou lampou (laserovou diodou) průměrný výkon až stovky W, výkon v pulsu až desítky kw energie pulsu stovky J, délka pulsu až fs (i kratší) účinnost 2 5 % (10 15 %) prochází sklem optické komponenty z křemenného skla lze vést optickým vláknem především svařování, řezání tenkých plechů 23

Typy laserů používaných v průmyslu polovodičové (diodové) lasery vlnová délka 370 1550 nm aktivní prostředí polovodič, z jehož PN přechodu o ploše 10-6 emitováno záření s výkonem několik mw mm 2 je buzení elektrickým proudem průměrný výkon - úměrný počtu laserových diod (1PN přechod) tvořících diodový laser - laserové diody spřaženy do bloků, baterií (1W 3kW) účinnost čerpání až 35 % nižší kvalita svazku (větší průměr v ohnisku) malé rozměry - robotizace svařování, tepelné zpracování povrchů, popis, buzení jiných laserů excimerové lasery vlnová délka 193 351 nm aktivní prostředí excimer (excitovaný dimer nestabilní molekuly plynů ArF, KrCl, KrO, XeCl, XeF...) + pomocné plyny Ne, He (přenos energie, ochlazení) buzení svazkem elektronů nebo elektrickým výbojem průměrný výkon do 500 W, vrcholový výkon až 35 MW energie pulsu 0,02 mj 5J energie fotonu 4,9 ev odpovídá vazebné energii molekul řady organických látek narušení vazeb ablace (odstranění materiálu bez tavení, téměř žádný ohřev (a tím ani tepelně ovlivněná oblast) projekce přes masku malý průměr svazku mikroaplikace, litografie, zpracování polymerů, leptání povrchů 24

8. Trendy v oblasti laserových systémů Diodou čerpané lasery zvýšení účinnosti klasických pevnolátkových dopovanými krystaly (YAG, YLF, YVO, sklo) laserů s ionty dříve používané buzení pomocí buzením bloky laserových diod. kryptonové výbojky nahrazeno v případě Nd:YAG laseru se používá čerpání diodami s emisní čárou na vlnové délce 808 nm, která odpovídá absorpčnímu pásu krystalu aktivního prostředí těchto laserů nahrazením širokospektrální výbojky se dosahuje podstatně nižších ztrát díky vyšší účinnosti čerpání aktivního prostředí, která dosahuje až 45% potlačení thermal lensing delší životnost diod ve srovnání s výbojkou 25

Trendy v oblasti laserových systémů Diskové lasery aktivní prostředí diskových Yb:YAG (vlnová délka 1030 nm, 515 nm) laserů formováno do tvaru válce o výšce několika desetin milimetru a průměru obvykle do 10 mm geometrie téměř odstraňuje thermal leasing effect a svazek má gaussovské rozdělení intenzity s vysokou kvalitou stěna diskového krystalu aktivního prostředí je současně zadním zrcadlem optického rezonátoru účinné čerpání zářením diod přiváděným optickým vláknem vyšší kvalita svazku, vyšší účinnost čerpání, možnost vyšších výkonů až několik kilowatů, úzký výstup do vlákna (0,2 mm), menší rozměrů optiky... 26

Trendy v oblasti laserových systémů Vláknové lasery aktivním prostředím vláknových laserů je křemíkové vlákno s průměrem jádra několik mikrometrů a délce několik metrů, dopované ionty Er (1540 až 1620 nm), Yb (1060 nm až 1120 nm) nebo Tm (1720 nm až 2000 nm) vysoce účinné čerpání laserovými diodami (hlavní absorpční čáry dopantů spadají do emisních pásů laserových diod) rezonátor tvoří Braggovy mřížky na koncích vlákna nebo vnější dichroická zrcadla. Schéma vláknového laseru uvádí Obr. 19a. kvalita svazku 10x vyšší, vyšší výkon než klasické pevnolátkové lasery, desítky kw kompaktnost (100 W jako počítač, 10 kw lednička) dostatečné chlazení vzduchem vysoká životnost, minimální údržba 27

Srovnání vlastností nejpoužívanějších laserů Nd:YAG CO 2 diskový vláknový celková účinnost 5 % 10 % 15 % 30 % výstupní výkon do 6 kw do 20 kw do 4 kw do 50 kw BPP (~ 5 kw) 25 mm.mrad 6 mm.mrad 8 mm.mrad < 2,5 mm.mrad životnost diod 10 000 h - 10 000 h 100 000 h chlazení DI voda voda voda vzduch/voda provozní náklady 825 Kč/h 520 Kč/h 760 Kč/h 460 Kč/h údržba častá nutná častá žádná 28

9. Přednosti a nedostatky použití laserů v průmyslu Přednosti bezkontaktní procesy - nedochází k znečištění materiálu malá tepelně ovlivněná oblast (malá energie na jednotku plochy) - malé zbytkové pnutí,, minimáln lní deformace minimalizuje nutnost další šího zpracování (např. žíhání po svařov ování) možnost svařovat do většív ších hloubek bez přídavnp davného materiálu, v opticky transparentním m prostřed edí,, hermeticky těsnt sné svary, nevyžaduje vakuum, jen ochranná atmosféra úzký hladký řez, přesnp esné rozměry ry možnost lokáln lního zpracování např. kalení pouze vybraných oblastí (průměr stopy - vzdálenost od ohniska),, popis miniaturních komponent malý průměr r stopy vysoká pracovní rychlost možnost pracovat i na špatně dostupných místechm (vedení optickým vláknem) možnost zpracovávat vat většinu v materiálů,, různr zné tloušťky opakovatelnost, možnost automatizace, kompaktnost nových systémů Nedostatky vysoká pořizovac izovací i provozní cena malá účinnost klasických laserových systémů problematické zpracování vysoce odrazných materiálů 29

10. Bezpečnost práce s lasery nebezpečí pro živé tkáně účinky: tepelné způsobené absorpcí energie záření a její přeměnou na teplo, podráždění nebo devastace tkání netepelné akustický tlak velmi krátkých pulsů, vysoce intenzivní elektrické pole nebo fotochemické účinky vedlejší poškození zdraví nebo destrukce okolního prostředí úraz elektrickým proudem, požár, výbuch při nevhodné manipulaci s plynovými lahvemi apod. ochranné pracovní pomůcky ochrana kůže, zraku, sluchu, dýchacího ústrojí zaměřujeme se především na ochranu před přímým zasažením samotným svazkem (i před difúzně rozptýleným zářením) viditelné a blízké IČ záření (400 nm 1400 nm) ohrožení sítnice Střední a vzdálené IČ (1400 nm 1 mm) Střední UV (180 nm - 315 nm) ohrožení rohovky blízké UV (315 nm 390 nm) ohroženíčočky 30

Bezpečnost práce s lasery Třída I: Lasery všech vlnových délek o výkonu menším než 0,4 µw nebo všechny laserové systémy s libovolným výkonem, které mají zcela zakrytou dráhu svazku a pracovní plochu, všechna víka, kryty a dveře jsou zabezpečena proti neoprávněnému otevření během činnosti laseru. K práci s laserem této kategorie není třeba žádných dalších ochranných pomůcek. Třída II: Kontinuální lasery emitující záření ve viditelné oblasti s výkonem menším než 1mW, před kterými je oko schopno se dostatečně chránit vrozenými reflexy, poškození však může způsobit přímý pohled po delší dobu, stejně jako do konvenčních světelných zdrojů. Oko fokusuje dopadající laserový svazek na plochu 3.10-6 cm 2, což pro kontinuální výkon 1mW představuje hustotu energie 333 W.cm -2. To je přibližně 30x více než při přímém pohledu do poledního letního slunce. Do této třídy patří i laserové ukazovátko, jehož běžná dostupnost dětem představuje značné nebezpečí. Třída IIIa: Kontinuální lasery s výkonem menším než 5 mw, jejichž plošná hustota výkonu po fokusaci není větší než 2,5.10 3 W.cm -2. Oko není poškozeno, pokud okamžitě zareaguje a svazku se intuitivně vyhne. Nelze však používat pro pozorování svazku spojnou optiku. Tyto lasery musí být označeny nálepkou CAUTION nebo DANGER. Třída IIIb: Kontinuální lasery s výkonem 5 500 mw nebo pulsní lasery s plošnou hustotou energie do 10 J.cm-2, které poškozují tkáň při přímém vystavení, difúzní odraz není nebezpečný. Třída IV: Všechny lasery s výkonem od 500 mw nebo energií nad 10 J.cm -2, jejichž difusní odraz poškodí živou tkáň. Pro prácí s touto třídou laserů je bezpodmínečně nutné používat ochranné pracovní pomůcky a dodržovat předepsaný provozní řád. 31

11. Výhled Použití laserů se stále více prosazuje v mnoha oblastech lidské činnosti. V dnešní době se laser stal již běžným nástrojem ve strojírenství, stavebnictví, elektrotechnice, výpočetní technice, ale také medicíně nebo zábavném průmyslu. Laser se stal nepostradatelnou součástí moderního života. Společnost Optech Consulting, která se zabývá analýzou trhu s lasery, v roce 2007 odhadovala, že světový trh laserových systémů pro zpracování materiálů stoupne z 3,9 miliard dolarů (3,7 miliard euro) v roce 2002 na 10,5 miliardy dolarů v roce 2010. Tento odhad se nenaplnil. Rostoucí tendence završená maximem 6,4 miliardy euro v roce 2008 byla vystřídána významným poklesem na 3,8 miliardy euro v roce 2009. V souvislosti s předpokládaným oživením ekonomiky se očekává celosvětový nárůst trhu se všemi druhy laserů o 11 % v roce 2010. Analytici společnosti Strategies Unlimited předpovídají, že v roce 2014 dosáhne 8,8 miliardy dolarů. 32

Tato prezentace byla připravena za finanční podpory Evropského sociálního fondu v ČR v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/07.0018 Moderní technologie ve studiu Aplikované fyziky. Děkuji Vám za pozornost. 33